Simulasi Pengaruh Tipe Gating System Terhadap Karakteristik Aliran Logam Material Aluminium A356 Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamics

(1)

SIMULASI PENGARUH TIPE

GATING SYSTEM

TERHADAP

KARAKTERISTIK ALIRAN LOGAM CAIR ALUMINIUM A356

MENGGUNAKAN METODE

COMPUTATIONAL FLUID

DYNAMICS

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

RAMA SANJAYA

100401067

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2015

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

ABSTRAK

Dalam rangka meningkatkan kualitas hasil pengecoran, sistem saluran masuk divariasikan dengan tujuan untuk melihat karakteristik logam cair. Analisa aliran dilakukan dengan cara mengamati proses pengisian rongga cetak. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui efek dari posisi ingate terhadap cacat permukaan kecepatan aliran, temperatur, tekanan dan turbulensi cairan dari paduan aluminium dalam casting dengan menggunakan cetakan pasir. Bahan baku dari penelitian ini adalah paduan aluminium silikon A356. Penelitian ini akan dibedakan atas saluran masuk top gating system, parting-line gating system & bottom gating system. Pengujian cacat permukaan juga dilakukan dengan membandingkan hasil simulasi dengan hasil eksperimental. Proses simulasi dilakukan dengan menggunakan software berbasis CFD. Hasil penelitian menunjukkan top gating system memiliki kecepatan fluida tertinggi yaitu ±263 cm/s sedangkan kecepatan fluida terendah terjadi pada model saluran parting-line dengan ±178 cm/s. Konsentrasi tertinggi cacat permukaan ditemukan dalam sistem model saluran parting-line gating system dengan persentase ±0,32%. Sementara konsentrasi cacat terendah adalah pada top gating system dengan ±0,15%. Tekanan tertinggi terjadi pada parting-line gating system yaitu sebesar ±11,65 kPa sementara tekanan terendah ditemukan di top gating system sebesar ±11,14 kPa. Model saluran dengan rata-rata suhu tertinggi terdapat pada parting-line gating system dengan ±729,67 oC sedangkan bottom gating system memiliki suhu rata-rata terendah dengan ±729,11 oC.

Kata kunci: computational fluid dynamics, sistem saluran masuk, karakteristic aliran, aluminium

(8)

ABSTRACT

In order to improve the quality of the castings produced, the gating system was changed with the intention to see the characteristics of molten metal. Flow analysis of the component is done in order to visibly analyse the cavity filling process. This study aims to determine the effects of ingate position to surface defect, fluid velocity, pressure, temperature and fluid turbulence of aluminum alloys in casting by using sand molds. The raw material of this study is A356 aluminium alloy. This research will beassessed position of ingate in top, middle and bottom. Surface defect testing also conducted by comparing simulation result to experimental works. Simulation process is conducted by using CFD based analysis software. The results showed top gating system has the highest fluid velocity that is ±263 cm/s while the lowest fluid velocity occur on parting-line gating system with ±178 cm/s. The highest concentration of surface defects found in the model system of parting-line gating system that is ±0,32%. While the lowest defect concentration is on top gating system with only ±0,15%. The highest pressure occurs in parting-line gating system that is equal to ±11,65 kPa while the lowest pressure found in top gating system that is ±11,14 kPa. Gating system with highest average temperatur obtained at the parting-line gating system with ±729,67 oC while bottom gating system has the lowest average temperature with ±729,11 oC.

Keywords: computational fluid dynamics, gating system, flow characteritics, aluminium

(9)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Allah SWT atas segala karunia dan rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi ini adalah “Simulasi Pengaruh Tipe Gating System Terhadap Karakteristik Aliran Logam Material Aluminium A356 Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamics”.

Selama penulisan skripsi ini penulis banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada:

1. Orang tua saya tercinta, Ayahanda Syaiful dan Ibunda Jusmiarti serta kakak – kakak saya (Silvia dan Shinta Veroza) dan juga abang – abang saya (Heru Joni Aldi dan Roni Anto) yang telah membesarkan penulis, membimbing, memberikan kasih sayang, memberikan nasehat memberikan perhatian baik spiritual maupun material serta semangat yang begitu besar kepada penulis mulai awal kuliah hingga penyelesaian skripsi ini.

2. Bapak Suprianto, ST. MT selaku dosen pembimbing skripsi yang telah meluangkan waktu dan pikiran serta kesabaran dalam membimbing dan mengajar penulis untuk menyelesaikan skripsi ini.

3. Bapak Ir. Tugiman, MT selaku Koordinator Skripsi dan Kepala Laboratorium Metalurgi.

4. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin USU dan Bapak Ir. M Syahril Gultom, MT. sebagai Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU.

5. Seluruh Staf Pengajar DTM FT USU yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi selesai, dan seluruh pegawai administrasi DTM FT USU, juga kepada staf Fakultas Teknik.

(10)

ii 6. Teman satu tim (Abdul Rahman) yang telah memberikan kesempatan kepada

penulis untuk bergabung dalam penyelesaian tugas sarjana ini.

7. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin USU angkatan 2010, khususnya (Nursuci Adek, Chandra Andrika, Fadel Muhammad Harahap & Aji Pajar Prastia) yang banyak memberikan motivasi kepada penulis dalam menyusun skripsi ini, atas masukan dan bantuannya dalam menyelesaikan skripsi ini.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini belum sempurna, baik dari segi teknik maupun dari segi materi. Oleh sebab itu, demi penyempurnaan skripsi ini kritik dan saran sangat penulis harapkan.

Akhir kata, penulis berharap agar laporan ini bermanfaat bagi pembaca pada umumnya dan penulis sendiri pada khususnya.

Medan, September 2015 Penulis,

Rama Sanjaya NIM : 100401067

(11)

iii

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR ...i

DAFTAR ISI... ...iii

DAFTAR GAMBAR ...vi

DAFTAR TABEL ...ix

DAFTAR NOTASI ...x

BAB 1 PENDAHULUAN ...1

1.1 Latar Belakang ...1

1.2 Perumusan Masalah ...3

1.3 Tujuan Penelitian ...3

1.3.1 Tujuan Umum ...3

1.3.2 Tujuan Khusus...3

1.4 Batasan Masalah ...4

1.5 Sistematika Penulisan ...4

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ...5

2.1 Aluminium ...4

2.1.1. Aluminium - Silicon Alloy...5

2.1.2. Aluminium A356...8

2.2 Pengecoran Cetakan Pasir...9

2.3 Sistem Saluran Masuk ...12

2.4 Dinamika Fluida ...16

2.4.1 Aliran Fluida Berdasarkan Gerak... ...16

2.4.2 Aliran Fluida Berdasarkan Gaya Yang Bekerja.... ...17

(12)

2.5 Cacat Rongga Udara (Blowhole) ...19

2.6 CFD (Computational Fluid Dinamics) ...20

2.6.1 Proses Simulasi CFD... ...21

2.6.2 Persamaan Pembentuk Aliran... ...22

2.7 Stir Casting ...26

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ...29

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ...29

3.2 Alat dan Bahan Penelitian ...29

3.2.1 Alat Penelitian ...29

3.2.2 Bahan Penelitian ...30

3.3 Variabel Penelitian...31

3.3.1 Variabel Terikat...32

3.3.2 Variabel Bebas ...32

3.4 Cara Pelaksanaan Penelitian ...31

3.5 Diagram Alir Penelitian ...33

3.6 Set-up Pengujian... ...34

3.6.1 Proses Simulasi ...34

3.6.1.1 Tahap Pre-processing... ...34

3.6.1.2 Tahap Post Processing... ...40

3.6.1.3 Menjalankan Simulasi.. ...40

3.6.1.4 Diagram Alir Simulasi... ...41

3.6.2 Proses Pengecoran... ...42

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ...43

4.1 SimulasiHasil Konsentrasi Cacat Permukaan... ...43

4.1.1 Perbandingan antara Konsentrasi Cacat Permukaan Hasil Simulasi dan Hasil Pengecoran Eksperimental... ...48

4.2 Analisa Simulasi Hasil Distribusi kecepatan ...50

4.3Simulasi Hasil Distribusi Temperatur... ...54

4.1.2 Pengaruh Distribusi Temperatur Terhadap Kekerasan Hasil Coran Aluminium Alloy... ...57

(13)

4.5 Simulasi Hasil Distribusi Tekanan ...60

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ...63

5.1 Kesimpulan ...63

5.2 Saran... ...64

(14)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Diagram Fasa Al-Si ...6

Gambar 2.2 Daerah Diagram Fasa Al-Si...6

Gambar 2.3 Struktur mikro hypoeutectic, eutectic & hypereutectic.... ...7

Gambar 2.4 Proses Pembuatan Cetakan ...11

Gambar 2.5 Elemen Dasar pada Sistem Saluran Masuk ...13

Gambar 2.6 Klasifikasi Saluran Masuk Berdasarkan Bidang Pembagi ...13

Gambar 2.7 Klasifikasi Saluran Masuk Berdasarkan Ketinggian ... ...14

Gambar 2.8 Rasio Luas Area Sprue Exit, Runner dan Ingate ...15

Gambar 2.9 Distribusi Kecepatan Aliran Laminar pada Pipa Tertutup ...18

Gambar 2.10 Distribusi Kecepatan Aliran Turbulen Dalam Pipa Tertutup pada Arah Aksial... ...19

Gambar 2.11 Cacat Rongga Udara (Blowholes) ...20

Gambar 2.12 Hukum Kekekalan Massa pada Elemen Fluida 3 Dimensi... ..23

Gambar 2.13 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi... ...24

Gambar 2.14 Kerja yang Dikenakan pada Elemen Arah Sumbu-x.... ...25

Gambar 2.15 Fluks Panas yang melintasi permukaan sebuah elemen... ...25

Gambar 2.16 Skema Eksperimental Mesin Stir Casting... ...27

Gambar 3.1 Cetakan Pasir Tampak Dari Atas Dan Tengah ...30

Gambar 3.2 Mesin Stir Casting... ...30

Gambar 3.3 Diagram Alir Penelitian ...34

Gambar 3.4 Dimensi Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Top Gating System... ...34

Gambar 3.5 Dimensi Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Parting-line Gating System... ...35

Gambar 3.6 Dimensi Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Bottom Gating System... ...35

Gambar 3.7 Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Top Gating System... ...36

(15)

vii Gambar 3.8 Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Parting-Line

Gating System... ...36

Gambar 3.9 Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Bottom Gating System... ...37

Gambar 3.10 Bentuk Mesh ...38

Gambar 3.11 Penentuan Parameter Dasar... ...38

Gambar 3.12 Penentuan Sifat – Sifat Fisika dan Gaya pada Percobaan... ..39

Gambar 3.13 Penentuan Jenis Fluida... ...39

Gambar 3.14 Penentuan Material Cetakan... ...40

Gambar 3.15 Diagram Alir Simulasi... ...41

Gambar 4.1 Kontur Distribusi Kecepatan Magnitudo pada Model Saluran Masuk Top Gating System... ...44

Gambar 4.2 Kontur Distribusi Kecepatan pada Model Saluran Masuk Parting-line Gating System... ...44

Gambar 4.3 Kontur Distribusi Kecepatan pada Model Saluran Masuk Bottom Gating System... ...45

Gambar 4.4 Grafik Kecepatan Magnitudo vs. Tipe Saluran Masuk ...46

Gambar 4.5 Kontur Distribusi Temperatur pada Model Saluran Masuk Top Gating System... ...47

Gambar 4.6 Kontur Distribusi Temperatur pada Model Saluran Masuk Parting-line Gating System... ...48

Gambar 4.7 Kontur Distribusi Temperatur pada Model Saluran Masuk Bottom Gating System... ...48

Gambar 4.8 Grafik Temperatur vs. Tipe Saluran Masuk... ...49

Gambar 4.9 Grafik Nilai Kekerasan Rata – Rata vs Tipe Gating System...51

Gambar 4.10 Perbandingan Persebaran Temperatur Terhadap Nilai Kekerasan Model Sistem Saluran Masuk Top Gating System (Tipe A).... ...51

Gambar 4.11 Perbandingan Persebaran Temperatur Terhadap Nilai Kekerasan Model Sistem Saluran Masuk Parting-line Gating System (Tipe B).... ...52

(16)

viii Gambar 4.12 Perbandingan Persebaran Temperatur Terhadap Nilai

Kekerasan Model Sistem Saluran Masuk Bottom Gating

System (Type C)... ...52 Gambar 4.13 Kontur Distribusi Tekanan pada Model Saluran Masuk Top

Gating System... ...53 Gambar 4.14 Kontur Distribusi Tekanan pada Model Saluran Masuk

Parting-line Gating System... ...53 Gambar 4.15 Kontur Distribusi Tekanan pada Model Saluran Masuk Bottom Gating System.... ...54 Gambar 4.16 Grafik Tekanan vs. Tipe Saluran Masuk... ...55 Gambar 4.17 Fase Terbentuknya Cacat Permukaan pada Model Saluran

Masuk Top Gating System... ...56 Gambar 4.18 Fase Terbentuknya Cacat Permukaan pada Model Saluran

Masuk Parting-line Gating System... ...57 Gambar 4.19 Fase Terbentuknya Cacat Permukaan pada Model Saluran

Masuk Bottom Gating System... ...58 Gambar 4.20 Kontur Konsentrasi Cacat Permukaan Hasil Simulasi &

Eksperimen Top Gating System... ...60 Gambar 4.21 Kontur Konsentrasi Cacat Permukaan Hasil Simulasi &

Eksperimen Parting-line Gating System... ...60 Gambar 4.22 Kontur Konsentrasi Cacat Permukaan Hasil Simulasi &

Eksperimen Parting-line Gating System... ...61 Gambar 4.23 Grafik Konsentrasi Cacat Permukaan Pada 3 Model Saluran

(17)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Kandungan Si Terhadap Temperatur Titik Beku Paduan

Aluminium... ...8

Tabel 2.2. Spesifikasi Fluida... ...9

Tabel 2.3 Elemen Penyusun Aluminium Alloy A356... ...9

Tabel 4.1 Konsentrasi Cacat Permukaan Maksimum... ...48

Tabel 4.2 Distribusi Kecepatan Magnitudo Berdasarkan Titik Pengukuran... ...54

Tabel 4.3 Distribusi Temperatur Pada Pada 9 Titik Pengukuran... ...57

Tabel 4.4 Data hasil pengujian kekerasan... ...58

(18)

DAFTAR NOTASI

Simbol Definisi Satuan

τ tegangan geser pada fluida N/m2

μ viskositas dinamik fluida N.s/m2

du/dy gradient kecepatan 1/s

ṁ laju aliran massa kg/s

t waktu s

ρ massa jenis fluida kg/m3

F gaya N

T temperatur oC

m massa kg

a percepatan m/s2

P tekanan N

W daya joule

(19)

ABSTRAK

Kata kunci: computational fluid dynamics, sistem saluran masuk, karakteristic aliran, aluminium

(20)

ABSTRACT

Keywords: computational fluid dynamics, gating system, flow characteritics, aluminium

(21)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Industri pengecoran logam tumbuh seiring dengan perkembangan teknik dan metode pengecoran serta berbagai model produk cor yang membanjiri pasar domestik. Produk cor banyak kita jumpai mulai dari perabotan rumah tangga, komponen otomotif, pompa air sampai propeler kapal. Permintaan pasar akan produk logam cor yang prospektif dan luas ini, kurang diimbangi dengan peningkatan kualitas produk yang dihasilkan sehingga banyak kita jumpai produk dengan kualitas yang rendah yakni banyaknya cacat yang timbul pada produk cor khususnya pada pengecoran menggunakan cetakan pasir, salah satunya yaitu cacat permukaan [1].

Cacat permukaan tersebut dipengaruhi oleh banyak hal salah satunya adalah desain sistem saluran yang kurang baik. Sistem saluran pada cetakan pasir meliputi cawan tuang, saluran turun (sprue), dam atau waduk, saluran pengalir (runner), saluran penambah (riser), dan saluran masuk (ingate) [2]. Penelitian ini akan mendalami tentang letak saluran masuk (ingate). Saluran masuk memiliki peranan penting karena merupakan saluran dimana logam cair akan masuk ke rongga cetakan. Telah banyak dilakukan upaya penelitian secara meluas untuk mempelajari pengaruh perancangan sistem saluran pada pola aliran logam cair saat memasuki cetakan. Penelitian-penelitian tersebut menunjukkan bahwa kerugian-kerugian pada pengecoran seperti: turbulensi pada aliran logam cair, udara yang terjebak, inklusi pasir, lapisan oksida danterak dapat diantisipasi dengan perancangan saluran yang optimal [3].

Cacat yang terjadi pada coran dapat diakibatkan desain yang kurang baik. Oleh sebab itu, untuk mengatasi kesalahan desain digunakan software berbasis CFD (Computational Fluid Dynamics). Salah satu program komputer yang mampu mengaplikasi desain pengecoran ini yaitu software Flow-3D. Program

(22)

2 desain grafis tiga dimensi ini mampu menampilkan suatu produk atau hasil akhir seperti benda sesungguhnya sebelum proses pembuatan benda kerja dilakukan sehingga suatu produk dapat diketahui bentuk dan dan dapat dianalisa karakteristiknya sebelum diproduksi [4].

Taufik dan Slamet (2010) melakukan penelitian terhadap pengaruh model saluran tuang pada cetakan pasir terhadap hasil cor logam. Metode penelitian yang digunakan adalah menerapkan model saluran tuang tipe offset basin dan offset stepped basin. Hasil penelitian yang menggunakan pemeriksaan mikrografi menunjukkan menggunakan cawan tuang offset basin maupun offset stepped basin dapat menghasilkan coran logam dengan cacat porositas lebih kecil dibandingkan tanpa menggunakan cawan tuang [5].

Roziqin, dkk. (2004) melakukan penelitian tentang pengaruh bentuk sistem saluran terhadap sifat mekanis pada paduan aluminium. Sistem saluran yang digunakan yaitu saluran tuang permukaan, saluran tuang atas dan saluran atas dengan saluran penambah. Hasil pengecoran menunjukkan bahwa sistem saluran tuang atas paling banyak mengalami cacat penyusutan, cacat porositas dan memiliki tingkat kekerasan yang paling rendah [6].

Hafid, dkk. (2011) melakukan penelitian yaitu berupa simulasi terhadap produk pengecoran inlet manifold yang dibuat dari material aluminium AC2B dengan metode permanent mold gravity casting dengan variasi penambahan riser menggunakan software simulasi Adstefan. Hasil penelitian menunjukkan terjadinya penurunan turbulensi aliran sebelum dan sesudah penambahan riser yang menyebabkan penurunan shrinkage yang awalnya sebesar 10% berkurang menjadi 5% [7].

Berdasarkan penelitian-penelitian diatas terdapat beberapa penelitian dan simulasi tentang pengaruh model sistem saluran masuk terhadap hasil pengecoran aluminium tetapi masih jarang yang menggunakan metode simulasi untuk menganalisa bagaimana terjadinya cacat dan karakteristik aliran fluida pada saat cairan memenuhi cetakan. Oleh karena itu, penelitian ini akan membahas fenomena tersebut dan membandingkannya dengan hasil percobaan

(23)

3 eksperimental. Dengan mempertimbangkan hal-hal diatas, diharapkan akan meningkatkan kualitas produk cor pada pengecoran aluminium menggunakan cetakan pasir.

1.2 Perumusan Masalah

Cacat coran merupakan salah satu faktor utama yang perlu diperhatikan dalam memproduksi produk cor yang berkualitas tinggi. Salah satu cacat yang sering muncul pada pengecoran menggunakan cetakan pasir yaitu cacat permukaan. Melalui simulasi menggunakan software berbasis CFD (Computational Fluid Dynamics) dapat dilihat berbagai karakteristik cairan logam dan bagaimana proses terbentuknya cacat permukaan pada benda coran sekaligus dapat diidentifikasi penyebabnya. Oleh karena itu, penulis tertarik untuk mambahas hal tersebut dengan tujuan untuk menciptakan benda coran dengan kualitas yang lebih baik.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini dibagi atas tujuan umum dan tujuan khusus.

1.3.1 Tujuan Umum

Tujuan umum penelitian ini yaitu untuk mengetahui pengaruh bentuk saluran masuk terhadap karakteristik aliran cairan aluminium cair di dalam cetakan pasir dengan tiga tipe gating system menggunakan perangkat lunak berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD).

1.3.2 Tujuan Khusus

1. Mengetahui fenomena turbulensi di dalam cetakan pasir. 2. Mengetahui kecepatan aliran saat penuangan logam cair.

3. Mengetahui distribusi temperatur cairan logam di dalam rongga cetakan. 4. Mengetahui distribusi tekanan cairan logam didalam cetakan.

5. Mengetahui besarnya konsentrasi cacat dan bagaimana proses terjadinya cacat permukaan pada pengecoran logam.

(24)

4 6. Melakukan analisa dan membandingkan hasil simulasi dengan hasil percobaan

eksperimental.

1.4 Batasan Masalah

Batasan masalah pada penelitian ini adalah:

1. Pengecoran dilakukan menggunakan cetakan pasir dengan tiga variasi saluran masuk; antara lain: top gating system, parting-line gating system dan bottom gating system.

2. Cetakan pasir yang digunakan terbentuk dari campuran pasir, air dengan bentonit sebagai bahan pengikat.

3. Material coran yang digunakan yaitu pada simulasi yaitu aluminium alloy A356 sedangkan material yang digunakan untuk pengujian yaitu aluminium alloy A356 dengan penambahan material silikon karbida sebesar 3,5%.

4. Topik pembahasan di dalam penelitian ini dikhususkan pada turbulensi, kecepatan, temperatur cairan logam, tekanan dan cacat permukaan pada hasil coran.

1.5 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan ini disajikan dalam tulisan yang terdiri dari 5 bab.

BAB I Pendahuluan. Bab ini memberikan gambaran menyeluruh mengenai tugas

akhir yang meliputi pembahasan latar belakang, perumusan masalah, tujuan penulisan, dan sistematika penulisan. BAB II Tinjauan Pustaka, dimana pada bab ini berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan dengan pokok permasalahan serta metode pendekatan yang digunakan untuk menganalisa persoalan. BAB III Metode Penelitian berisikan metode dari pengerjaan meliputi langkah – langkah pengolahan dan analisa data. BAB IV Hasil dan Pembahasan. Bab ini berisi tentang hasil pengujian eksperimental dan simulasi disertai analisa mengenai topik yang dibahas. BAB V Kesimpulan dan Saran. Bab ini berisikan rangkuman jawaban dari permasalahan yang telah dibahas pada bab – bab sebelumnya.

(25)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Aluminium

Aluminium merupakan unsur kimia golongan IIIA dalam sistim periodik unsur, dengan nomor atom 13 dan berat atom 26,98 gram per mol. Aluminium memiliki struktur kristal FCC (Face-Centered Cubic), sehingga aluminium tetap ulet meskipun pada temperatur yang sangat rendah. Dengan kata lain aluminium mempunyai sifat mampu bentuk yang baik. Aluminium memiliki densitas 2,7 g/cm³ dan digolongkan sebagai material yang ringan.

2.1.1. Aluminium –Silicon Alloy

Aluminium mempunyai sifat-sifat yang sangat baik dan bila dipadu dengan logam lain bisa mendapatkan sifat-sifat yang tidak bisa ditemui pada logam lainnya. Kekuatan dan kekerasan yang rendah merupakan beberapa kekurangan yang dimiliki aluminium ini bila dibandingkan dengan logam lain seperti besi dan baja. Memadukan aluminium dengan unsur lainnya merupakan salah satu cara untuk memperbaiki sifat aluminium tersebut. Paduan adalah kombinasi dua atau lebih jenis logam, kombinasi ini dapat merupakan campuran dari dua struktur kristalin. Paduan mudah terbentuk bila pelarut dan atom yang larut memiliki ukuran yang sama dan strukrur elektron yang serupa. Paduan Al-Si sangat baik kecairannya, mempunyai permukaan yang sangat bagus, tanpa kegetasan panas, dan sangat baik untuk paduan coran. Karena memiliki kelebihan yang baik, paduan ini sangat banyak dipakai.

Diagram fasa paduan Al-Si ditunjukkan pada Gambar 2.1 dimana diagram fasa ini digunakan sebagai pedoman untuk menganalisa perubahan fasa pada proses pengecoran Al-Si [8].

(26)

6 Gambar 2.1 Diagram Fasa Al-Si

(Rahmawati, Z.S 2010)

Paduan logam Aluminium memiliki daerah sistem biner, mulai dari sistem yang paling sederhana hingga sistem yang paling kompleks. Secara garis besar paduan Aluminium-Silikon dibagi 3 daerah utama, seperti terdapat pada gambar 2.2 yaitu [8]:

Gambar 2.2 Daerah Diagram Fasa Al-Si (Rahmawati, Z.S 2010)

(27)

7 1. Daerah Hypoeutectic

Paduan Al-Si disebut Hypoeutectic yaitu apabila pada paduan tersebut terdapat kandungan silicon < 11.7% dimana struktur akhir yang terbentuk pada fasa ini adalah struktur ferrite (alpha) yang kaya akan aluminium dengan struktur eutektik sebagai tambahan.

2. Daerah Eutectic

Paduan Al-Si disebut Eutectic yaitu apabila pada paduan tersebut terdapat kandungan silikon sekitar 11.7% sampai 12.5%. Pada komposisi ini paduan Al-Si dapat membeku secara langsung (dari fasa cair ke fasa padat).

3. Daerah Hypereutectic

Paduan Al-Si disebut Hypereutectic yaitu apabila pada paduan tersebut terdapat kandungan silikon lebih dari 12.2% sehingga kaya akan kandungan silikon dengan fasa eutektik sebagai fasa tambahan.

(A) (B) (C)

Gambar 2.3 (a) Struktur Mikro Paduan Hypoeutectic. (B) Struktur Mikro Paduan Eutectic. (C) Struktur Mikro Paduan Hypereutectic.

(28)

8 Tipe paduan tergantung pada presentase kandungan silikon ini akan berpengaruh terhadap titik beku (freezing point) yang dipakai pada proses pengecoran aluminium yang dapat dilihat pada tabel 2.1 [9].

Tabel 2.1. Kandungan Si Terhadap Temperatur Titik Beku Paduan Aluminium

Alloy Si content BS alloy Typical freezing

range (0C)

Low Silicon 4 – 6 % LM 4 625 – 525

Medium Silicon 7,5 – 9,5 % LM 25 615 – 550 Eutectic Alloys 10 – 13 % LM 6 575– 565 Special Hypereutectic Alloys >16 % LM 30 650 – 505

(ASM International, 2004)

2.1.2. Aluminium A356

Aluminium alloy A356 terdiri dari 7% Si, 0.3% Mg alloy dan 0.2% Fe dan 0.10% Zn. Campuran logam ini memiliki kualitas pengecoran dan pemesinan yang baik. Material ini sering digunakan pada proses perlakuan panas. Material ini cukup tahan korosi dan sangat bagus bila digunakan pada pengelasan. Jenis aluminium ini sering digunakan pada bagian pesawat, housing pompa, impeler, blower berkecepatan tinggi dan pengecoran pada struktur yang kuat.

Berikut ini merupakan spesifikasi aluminium alloy A356 pada keadaan atmosfir yang di tabulasikan pada tabel 3.1 [10].

Tabel 2.2. Spesifikasi Fluida

No Spesifikasi Fluida

1 Massa Jenis 2,713 g/cm3 2 Kalor Jenis 0,963 J/g.°C

Konduktifitas

Termal 151 W/m.K

Temperatur

Solidus 557 °C

Temperatur

Likuidus 613 °C

Viskositas

(29)

9 Aluminium alloy A356 terdiri dari berbagai elemen penyusun seperti ditunjukkan pada Tabel 2.3 berikut ini [10]:

Tabel 2.3. Elemen Penyusun Aluminium Alloy A356

No Elemen Persentase (%)

1 Al 92.05

2 Cu 0.20

3 Mg 0.35

4 Mn 0.10

5 Si 7.00

6 Fe 0.20

7 Zn 0.10

2.2 Pengecoran Cetakan Pasir

Pengecoran cetakan pasir adalah proses pengecoran logam yang menggunakan pasir sebagai bahan cetakan. Istilah “cetakan pasir" juga dapat merujuk kepada wadah cairan logam bertemperatur tinggi (molten metal) yang dihasilkan melalui proses pengecoran cetakan pasir. Coran pasir diproduksi di pabrik-pabrik khusus yang disebut dengan foundri [11]. Lebih dari 70% dari semua pengecoran logam dihasilkan melalui pengecoran cetakan pasir [12].

Pengecoran cetakan pasir relatif murah dan tahan terhadap temperatur tinggi bahkan digunakan untuk pengecoran baja. Sebagai bahan penambah dan perekat, tanah liat dicampur dengan pasir. Campuran dibasahi, biasanya dengan air, tapi kadang-kadang dengan zat lain, untuk menambah kekuatan dan plastisitas tanah liat sehingga cocok untuk pembentukan cetakan. Pasir biasanya ditempatkan dalam sistem pola atau kotak cetakan. Rongga cetakan dan sistem saluran masuk diciptakan dengan cara pemadatan pasir disekitar model, atau pola, atau diukir langsung ke pasir.

Cetakan pasir untuk pembentukan benda tuangan melalui pengecoran harus dibuat dan dikerjakan sedemikian rupa dengan bagian-bagian yang lengkap

(30)

10 sesuai dengan bentuk benda kerja sehingga diperoleh bentuk yang sempurna sesuai dengan yang kita kehendaki.

Bagian-bagian dari cetakan pasir ini antara lain meliputi:

1. Pola, mal atau model (pattern). 2. Inti (core).

3. Cope dan drag. 4. Gate dan riser.

Cetakan pasir merupakan cetakan yang paling banyak digunakan, karena memiliki keunggulan:

a. Dapat mencetak logam dengan titik lebur yang tinggi, seperti baja, nikel dan titanium.

b. Dapat mencetak benda cor dari ukuran kecil sampai dengan ukuran besar. c. Jumlah produksi dari satu sampai jutaan.

Ada beberapa syarat bagi pasir untuk cetakan yang harus dipenuhi agar hasil coran tersebut sempurna, antara lain:

1. Kemampuan pembentukan

Sifat ini memungkinkan pasir cetak memiliki kadar kekentalan yang tepat dan bisa mengisi semua sisi dari ujung dan pola sehingga menjamin bahwa hasil coran memiliki dimensi yang benar.

2. Plastisitas

Plastisitas bisa bergerak naik maupun turun mengisi rongga-rongga yang kosong. Sifat plastisitas ini berkait erat dengan kandungan air pada pasir cetak yang bertindak sebagai pelumas sehingga memungkinkan pasir cetak mudah bergerak antara satu dengan lainnya.

(31)

11 3. Kekuatan basah

Kekuatan ini menjamin cetakan tidak hancur/rusak ketika diisi dengan cairan logam ataupun ketika dipindah-pindahkan. Kekuatan ini tergantung pada jumlah dan jenis pengikat dari pasir cetak.

4. Kekuatan kering

Kekuatan ini diperlukan pada saat cetakan mengering karena perpindahan panas dengan cairan logam. Kekuatan ini juga tergantung pada jumlah dan jenis pengikat.

5. Permeabilitas

Sifat ini memungkinkan udara dan uap atau gas-gas lain dari evaporasi air dan pengikat. Jika bahan-bahan ini menempati rongga cetakan maka akan menjadi hasil pengecoran yang kurang baik terutama bila terjebak pada hasil coran yang menjadikan cacat pada coran.

Gambar 2.4 Proses Pembuatan Cetakan (Surdia.T, 1996).

(32)

12 Pasir cetak yang lazim digunakan dalam proses pengecoran adalah sebagai berikut [12][14]:

1. Pasir Silika

Pasir silika didapat dengan cara menghancurkan batu silika, kemudian disaring untuk mendapatkan ukuran butiran yang diinginkan. Pasir silika merupakan pasir yang paling umum digunakan karena mudah didapat dan jumlah yang besar serta biaya yang rendah. Kelemahannya yaitu yang ekspansi termal yang tinggi, yang dapat menyebabkan cacat pada pengecoran logam bertitik leleh tinggi, serta konduktivitas termal yang rendah.

2. Pasir Zirkon

Pasir Zirkon berasal dari pantai timur australia yang mempunyai daya yahan api yang efektif untuk mencegah sinter. Pasir zirkon memiliki ekspansi termal yang rendah dan konduktifitas termal yang tinggi. Dikarenakan memiliki karakteristik yang baik pasir ini bisa digunakan pada pengecoran baja dan campuran logam sejenisnya.

3. Pasir Olivin

Pasir Olivin didapat dengan cara menghancurkan batu yang membentuk 2MgO, SiO2 dan 2FeO.SiO2. Pasir olivin mempunyai daya hantar panas yang lebih besar dibanding pasir silika.

2.3 Sistem Saluran Masuk

Elemen dasar pada sistem saluran masuk termasuk pouring basin, sprue, sprue well, runner and ingate, berurutan dari mengalirnya cairan logam dari ladle hingga ke mould cavity seperti terlihat pada gambar 2.5.

(33)

13 Gambar 2.5 Elemen Dasar ada Sistem Saluran Masuk

(ASM 1988:1281)

1. Berdasarkan bidang pembagi, sistem saluran terbagi atas sistem saluranhorizontal dan sistem saluran vertikal seperti terlihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.6 Klasifikasi Saluran Masuk Berdasarkan Bidang Pembagi (a) Saluran Masuk Horizontal dan (b) Saluran Masuk Vertikal

(Iyengar, S., 2002)

a. Sistem Saluran Masuk Horizontal

Sistem saluran ini dibagi oleh bidang horizontal. Sistem saluran ini sangat cocok untuk pengecoran mendatar seperti pada green sand casting dan gravity die casting.

(34)

14 b. Sistem Saluran Masuk Vertikal

Sistem saluran ini dibagi oleh bidang vertikal. Pada high pressure sand molding, shell molding dan gravity die casting, sprue menjulang pada sumbu vertikal tetapi pada pressure die casting sprue terletak pada bidang pembagi. Sangat cocok untuk pembuatan produk coran dengan ketinggian tertentu.

2. Berdasarkan posisi ingate, sistem saluran terbagi atas top, bottom dan parting-line gating system seperti terlihat pada Gambar 2.7:

Gambar 2.7 Klasifikasi Saluran Masuk Berdasarkan Ketinggian Saluran Masuk (Iyengar, S., 2002)

a. Top Gating System

Pada sistem saluran ini cairan logam mengalir ke cavity langsung dari atas cetakan. Keuntungan sistem saluran ini yaitu adanya solidifikasi langsung dari dasar ke atas cavity. Kerugiannya yaitu cairan yang jatuh bebas cendrung menyebabkan erosi cetakan. Kecepatan cairan olgam konstan dari atas ke bawah

(35)

15 cavity yang menghasilkan pengisian cairan logam tercepat dibanding parting-line gating system dan bottom gating system.

b. Parting-line Gating System

Pada sistem saluran masuk ini pintu saluran terletak ditengah cetakan. Memiliki keuntungan yang sama dengan bottom gating system yaitu menghindari gerak jatuh bebas tetapi memiliki waktu pengisian cairan yang lebih cepat dibandingkan bottom gating system. Efek turublensi juga lebih kecil jika dibandingkan dengan top gating system.Sering digunakan pada pengecoran dengan saluran masuk horizontal.

c. Bottom Gating System

Pada sistem saluran ini cairan logam mengalir dari bawah ke atas cavity.Sangat cocok pada pengecoran yang cukup tinggi dimana gerak jatuh bebas cairan logam sangat dihindari. Keuntungannya sistem saluran ini yaitu sedikitnya gangguan pada saat cairan logam masuk kedalam cetakan. Kerugiannya yaitu waktu pengisian cairan logam yang lebih lama dan kurangnya kecepatan saat cairan logam memasuki cavity.

3. Berdasarkan perbandingan rasio luas area sprue exit, runner dan ingate (AS : AR : AG) sistem saluran ini dibagi atas pressurized system dan non pressurized system.

a. Pressurized System

Gambar 2.8 Rasio Luas Area Sprue Exit, Runner dan Ingate (Iyengar, S., 2002)

(36)

16 Pada sistem ini tekanan pada saluran masuk cendrung stabil. Untuk membuat sistem cetakan seperti ini luas area pada ingate harus lebih kecil dari luas area pada sprue exit (AG< AS). Sistem ini menjaga sistem saluran penuh dengan cairan logam. Rasio pengisian cairan juga bertambah. Bagaimanapun, kecepatan pengisian cairan logam yang tinggi menyebabkan turbulensi.

b. Non Pressurized System

Pada sistem ini choke ditempatkan pada sprue exit. Luas area sprue exit area lebih sedikit dari luas area pada ingate ( AS< AG ), sebagai contoh 1:2:2, 1:4:4. Karena rendahnya kecepatan, waktu pengisian akan lebih sedikit. Kerugiannya yaitu terpisahnya aliran cairan logam yang juga menyebabkan turbulensi [16].

2.4 Dinamika Fluida

Dinamika fluida merupakan subdisiplin dari mekanika fluida yang berhubungan dengan aliran fluida atau disebut juga sebagai ilmu yang membahas mengenai pergerakan fluida (cairan dan gas). Dinamika fluida membawahi beberapa subdisiplin diantaranya aerodinamis dan hidrodinamis. Dinamika fluida menawarkan struktur sistematis dan mendasari disiplin ilmu yang mencakup hukum empiris dan semi-empiris yang berasal dari pengukuran aliran dan digunakan untuk memecahkan masalah praktis [17]. Solusi untuk masalah dinamika fluida biasanya melibatkan perhitungan berbagai properti dari fluida, seperti kecepatan aliran, tekanan, kepadatan, dan suhu, sebagai fungsi ruang dan waktu.

Fluida secara khusus didefinisikan sebagai zat yang berdeformasi terus menerus selama dipengaruhi suatu tegangan geser. Sebuah tegangan geser terbentuk apabila sebuah gaya tangensial bekerja pada sebuah permukaan. Apabila benda-benda padat biasanya seperti baja atau logam-logam lainnya dikenai oleh suatu tegangan geser, mula-mula benda itu akan berdeformasi (biasanya sangat kecil), tetapi tidak akan terus menerus berdeformasi (mengalir).

(37)

17 Aliran fluida terbagi atas beberapa kategori, dibagi berdasarkan sifat-sifat yang paling dominan dari aliran tersebut, atau berdasarkan jenis dari fluida terkait [18].

2.4.1 Berdasarkan pergerakannya aliran fluida terdiri dari:

1. Steady Flow

Steady flow merupakan suatu aliran fluida dimana kecepatannya tidak terpengaruh oleh perubahan waktu, sehingga kecepatan konstan pada setiap titik pada aliran tersebut.

2. Non Steady Flow

Non steady flow terjadi apabila ada suatu perubahan kecepatan pada aliran tersebut terhadap perubahan waktu.

3. Uniform Flow

Uniform flow merupakam aliran fluida yang terjadi besar dan arah dari vector-vektor kecepatan tidak berubah dari suatu titik ke titik berikutnya dalam aliranfluida tersebut.

4. Non Uniform Flow

Aliran Non Uniform Flow terjadi jika besar dan arah vector-vektor kecepatan fluida selalu berubah terhadap lintasannya. Ini terjadi apabila luas penampang medium fluida juga berubah.

2.4.2 Aliran fluida berdasarkan gaya yang bekerja pada fluida tersebut:

1. Aliran Laminar

Aliran laminar didefinisikan sebagai aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan- lapisan, atau lamina-lamina dengan satu lapisan meluncur secara merata. Dalan aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam

(38)

18 kecenderungan-kecenderungan terjadinya gerakan relative antara lapisan. Sehingga aliran laminar memenuhi pasti hukum viskositas Newton, yaitu:

...(2.1)

dimana :

= tegangan geser pada fluida ( ⁄ ) = viskositas dinamik fluida ( ⁄ )

= gradient kecepatan ( ⁄)

Gambar 2.9 Distribusi Kecepatan Aliran Laminar pada Pipa Tertutup

(Monson, B., 2004)

2. Aliran Turbulen

Aliran turbulen didefinisikan sebagai aliran yang dimana pergerakan partikel-partikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami pencampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain dalam skala yang besar. Turbulensi yang terjadi mengakibatkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida sehingga menghasilkan kerugian-kerugian aliran.

(39)

19 Gambar 2.10 Distribusi Kecepatan Aliran Turbulen Dalam Pipa Tertutup pada

Arah Aksial (Monson, B., 2004)

3. Aliran Transisi

Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen.

2.4.3 Aliran berdasarkan bisa tidaknya dikompres yaitu sebagai berikut:

1. Compressible flow, dimana aliran ini merupakan aliranyang mampu mampat.

2. Incompressible flow yaitu aliran tidak mampu mampat.

2.5 Cacat Rongga Udara (Blowhole)

Cacat rongga udara (blowhole) merupakan salah satu jenis cacat pada pengecoran dimana cacat tersebut berupa lubang pada permukaan benda coran [19]. Biasanya berukuran ±3 mm dengan permukaan dalam yang cenderung berkilau dikarenakan adanya lapisan grafit yang terbentuk pada permukaan [20].

Cacat ini terjadi karena adanya gas yang terperangkap pada cairan logam pada saat proses solidifikasi. Penyebabnya antara lain bisa berupa permeabilitas pasir yang terlalu rendah, teknik pengumpanan yang kurang baik dan ketidaktepatan sistem saluran. Cacat ini dapat dikurangi dengan mendesain sistem saluran sedemikian rupa agar aliran pada saat penuangan lebih merata dan teratur sehingga pembekuan terarah (directional solidification) dapat tercapai [21][22].

(40)

20 Gambar 2.11 Cacat Rongga Udara (Blowholes)

(Prabowo, T. 2003)

2.6 CFD (Computational Fluid Dinamics)

Aliran fluida baik cair maupun gas merupakan suatu zat yang sangat umum dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya pengkondisian udara bagi bangunan dan mobil, aliran kompleks pada alat penukar kalor dan reaktor kimia, pembakaran di motor bakar, dan lain-lain, yang mana cukup menarik untuk diteliti, diselidiki, dan analisis. Penelitian untuk membahas fenomena tersebut membutuhkan suatu cara yang mampu mendesain dan memprediksi hasil dari berbagai macam atau jenis karakteristik fluida yang diteliti atau disimulasi dengan akurat dan cepat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan computational fluid dynamics [23].

Computational fluid dynamics, atau disingkat CFD, merupakan salah satu bidang pembelajaran dari fluida dinamis yang merupakan salah satu cabang dari fluida mekanik yang menggunakan analisis numerik dan algoritma untuk menganalisa dan memecahkan semua masalah yang berkaitan dengan aliran fluida [24]. Mulai dari aliran fluida, perpindahan panas dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida. Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida, hukum kekekalan energi, momentum, massa, serta penghitungan dengan CFD dapat dilakukan. Pengembangan sebuah perangkat lunak (software) CFD mampu memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dan struktur, dan sistem akustik hanya dengan permodelan dikomputer. Dengan menggunakan software ini dapat dibuat virtual prototype dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisa dengan menerapkan kondisi nyata dilapangan. Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data-data, gambar-gambar, atau

(41)

21 kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dariperformansi keandalan sistem yang akan didesain [25].

Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol perhitungan yang memanfaatkan persamaan-persamaan. Persamaan-persamaan ini adalah persamaan yang melakukan perhitungan pada semua parameter yang terlibat dalam domain. Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa berkaitan dengan temperatur maka model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi tersebut. Inisialisasi awal dari persamaan tersebut adalah boundary condition. Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol-kontrol perhitungan didefinisikan sebagai definisi awal yang akan dilibatkan ke kontrol-kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat.

2.6.1 Proses Simulasi CFD

Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi pada solver CFD, yaitu sebagai berikut [25]:

1. Preposessor 2. Processor 3. Post processor

Prepocessor mencakup proses penginputan data mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisian kondisi batas (boundary condition). Ditahap ini juga wilayah kerja atau ruangan benda yang akan dianalisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering juga disebut dengan meshing. Tahap selanjutnya adalah processor, pada tahap ini terdapat proses penghitungan data-data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen. Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit. Tahap akhir merupakan tahap post-processor dimana hasil perhitungan divisualisasikan ke dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan pola warna tertentu.

(42)

22 Hal yang paling mendasar kenapa konsep CFD banyak sekali digunakan dalam dunia industri dikarenakan dengan software berbasis CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan menghemat waktu dan biaya untuk melakukan eksperimen. Dengan kata lain desain pemesinan yang dilakukan lebih singkat. Hal ini yang mendasari pemakaian konsep CFD yaitu pemahaman yang lebih dalam mengenai suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam tentang karakterisrik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik, vektor, kontur dan bahkan animasi [26].

Pemakaian CFD secara umum dipakai untuk memprediksi :

a. Aliran dan panas. b. Transfer massa.

c. Perubahan fasa seperti pada proses melting, pengembunan dan pendidihan.

d. Reaksi kimia seperti pembakaran. e. Gerakan mekanis seperti piston dan fan. f. Tegangan dan tumpuan pada benda solid. g. Gelembung elektromagnetik.

2.6.2 Persamaan Pembentuk Aliran

Pemodelan dengan metode komputasi pada dasarnya menggunakan persamaan dasar dinamika fluida, momentum, dan energi. Persamaan-persamaan ini merupakan pernyataan matematis untuk tiga prinsip dasar fisika :

1. Hukum Kekekalan Massa (The Conservation of Mass)

2. Hukum Kekekalan Momentum (The Conservation of Momentum) sebagai interpretasi dari hukum kedua Newton (Newton’s Second Law of Motion) 3. Hukum Kekekalan Energi (The Conservation of Energy)

(43)

23 Konsep utama hukum ini adalah laju kenaikan massa dalam volume kontrol adalah sama dengan laju net aliran massa fluida ke dalam elemen batas. Secara sederhana dapat ditulis:

...(2.17)

Secara umum hukum kekekalan massa (The Conservation of Mass) 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut:

...(2.18)

Gambar 2.12 Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi (Ambarita, H. 2011)

2. Hukum Kekekalan Momentum (The Conservation of Momentum)

Hukum kekekalan momentum ini merupakan interpretasi dari hukum ke-2 Newton (arah sumbu-x) yaitu :

(44)

24 Gambar 2.13 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen

Fluida 3 Dimensi (Ambarita, H. 2011)

Secara umum hukum kekekalan momentum (The Conservation of Momentum) arah sumbu-x 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut:

...(2.20)

Dengan cara dan bentuk yang sama persamaan kekekalan momentum 3 dimensi arah sumbu-y dan arah sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut.

...(2.21)

dan

(45)

25 3. Hukum kekekalan Energi (The Conservation of Energy)

Hukum ini merupakan aplikasi dari hukum ketiga fisika (termodinamika) yaitu laju perubahan energi dalam suatu elemen adalah sama dengan jumlah net fluks panas yang masuk ke dalam elemen dan kerja yang dikenakan pada elemen tersebut. Pernyataan ini dapat ditulis dalam bentuk persamaan :

...(2.23)

Gambar 2.14 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x (Ambarita, H. 2011)

Gambar 2.15 Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen (Ambarita, H. 2011)

(46)

26 Secara umum kerja yang dikenakan arah sumbu-x, sumbu-y dan sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut.

...(2.24a)

...(2.24b)

...(2.24c)

Sedangkan persamaan fluks panas yang melintasi permukaan sebuah elemen dapat ditulis dengan persamaan.

...(2.25)

Dengan mensubstitusi persamaan (2.22) dan (2.23) ke dalam persamaan (2.21) di atas akan diperoleh sebuah persamaan (2.24) untuk hukum kekekalan energi di mana i, j, k = 1, 2, 3 yang menunjukkan arah sumbu-x, -y, dan –z.

...(2.26)

Di mana Φ adalah fungsi dissipasi dengan bentuk sebagai berikut.

....(2.27)

2.7 Stir Casting

Stir casting adalah proses pengecoran dengan cara menambahkan suatu logam murni (biasanya aluminium) dengan suatu unsur penguat, dengan cara

(47)

27 melebur logam murni tersebut kemudian logam murni yang sudah mencair tersebut diaduk-aduk secara terus menerus hingga terbentuk sebuah pusaran, kemudian unsur penguat (berupa serbuk) tersebut dicampurkan sedikit demi sedikit melalui tepi dari pusaran yang telah terbentuk itu. Mesin stir casting dapat dilihat pada gambar 2.16 berikut ini:

Gambar 2.16 Skema Eksperimental Mesin Stir Casting (Haque, S. 2014)

Sebuah proses stir casting, bahan penguat didistribusikan kedalam logam paduan yang mencair dengan pengadukan mekanik. Stir casting dari metal matrix composite dimulai pada 1968, ketika S. Ray memperkenalkan partikel – partikel alumina yang terdapat pada peleburan aluminium yang dicampur pada proses pencampuran aluminium alloys yang mengandung serbuk keramik pada proses pengadukan. Pengadukan mekanik dalam furnance adalah elemen kunci dari proses ini. Proses pencampuran logam paduan dengan serbuk keramik dapat digunakan pada die casting, permanent mold casting atau sand casting.

Komposit coran kadang–kadang dapat menurunkan porositas, memperhalus mikrostruktur dan keseragaman distribusi dari proses penguatan logam paduan. Perhatian sekarang ini yang dihubungkan dengan proses stir casting adalah terpisahnya partikel–partikel penguat dari logam paduan yang disebabkan oleh permukaan atau keadaan dari partikel – partikel penguat selama

(48)

28 peleburan dan proses pengecoran. Distribusi terakhir dari partikel – partikel pada saat pembekuan bergantung pada sifat–sifat material dan parameter – parameter proses seperti kondisi cair dari partikel – partikel pada saatpencampuran, kekuatan dari pengadukan, density, dan waktu pembekuan. Distribusi dari partikel – partikel pada saat pencampuran matrix bergantung pada geometry dari pengadukan mekanik, parameter pengadukan, letak dari pengaduk mekanik pada saat pencampuran, temperatur peleburan dan karakteristik dari partikel yang ditambahkan.

Sebuah perkembangan yang menarik dalam stir casting adalah proses pencampuran dua langkah. Dalam proses ini material utama dipanaskan diatas temperatur cairnya sehingga logam benar – benar tercampur. Campuran kemudian didinginkan pada temperatur antara titik cair dan padat dan dan dijaga tetap pada sebuah temperatur tersebut .pada langkah ini, partikel – partikel yang sudah dipanaskan di tambahkan dan dicampur. Hasil pencampuran dipanaskan lagi ke bentuk cair yang sempurna dan dicampurkan secara menyeluruh [27].

Ada beberapa keuntungan dari proses stir casting, diantaranya adalah [28]:

1. Dapat memperoleh suatu material tertentu yang sulit dan tidak mungkin didapatkan dengan proses lain (memadukan suatu logam dengan suatu bahan penguat).

2. Proses stir casting mempunyai prospek yang sangat baik dalam bidang pekerjaan karena produk dari stir casting tersebut relatif lebih baik sifat mekaniknya bila dibandingkan dengan hasil-hasil casting yang lain.

3. Proses stir casting lebih ekonomis karena material paduan yang ditambahkan merupakan material sisa-sisa dari suatu produksi yang pada umumnya sudah tidak dipakai lagi.

4. Dengan adanya proses pengadukan dalam stir casting maka hasil produk cor akanmenjadi lebih baik. Karena memungkinkan gelembung-gelembung udara yang terperangkap dalam logam cair selama proses penuangan untuk naik ke permukaan logam cair, sehingga cacat akibat terjebaknya udara dalam produk cor dapat berkurang.

(49)

BAB 3

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian

Waktu penelitian ini direncanakan selama delapan bulan yang dimulai dari bulan Juni 2014 sampai dengan Februari 2015. Tempat dilaksanakannya penelitian ini adalah di Laboratorium Foundry Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

3.2 Alat dan Bahan Penelitian 3.2.1 Alat Penelitian

a. Komputer

Proses simulasi yang dilakukan merupakan jenis pengujian komputasional dengan menggunakan seperangkat komputer dengan spesifikasi:

- Processor : Intel Atom - Ram : 1 Gb - Software : Flow-3D

- VGA : Intel Media Accelerator 3150

b. Cetakan Pasir

Cetakan pasir berfungsi untuk tempat atau wadah penuangan Aluminium cair yang sudah dilakukan pengadukan dengan mesin stir casting pada saat proses pengecoran. Cetakan pasir dapat dilihat pada gambar 3.1.

(50)

30 Gambar 3.1 (a) Cetakan Pasir tampak dari atas dan (b) Cetakan pasir tampak

dari tengah.

c. Mesin Stir Casting

Mesin stir casting digunakan untuk mencampur serbuk magnesium ke dalam leburan aluminium melalui proses stirring atau pengadukan. Gambar mesin stir casting dapat dilihat pada Gambar 3.2 berikut ini.

Gambar 3.2 Mesin Stir Casting

3.2.2 Bahan Penelitian

Bahan yang digunakan pada saat pengecoran berupa campuran material aluminium A356 dengan silikon karbida. Bahan aluminium berasal dari aluminium ingot . Silikon karbida berbentuk serbuk berwarna kelabu adalah bahan keramik yang berperan sebagai pengeras bahan. Pada saat material aluminium melebur seluruhnya, cover flux ditabur ke atas permukaan aluminium cair dengan tujuan untuk mengikat kotoran-kotoran berupa oksida - oksida dan impurities

(51)

31 lainnya yang terdapat di dalam aluminium cair. Kotoran yang telah berikatan dengan fluxing agent dibuang dengan cara drossing di permukaan Aluminium dengan menggunakan sendok plat besi yang telah di-coating dan selanjutnya dibuang.

3.3 Variabel Penelitian

Ditentukan dua buah variabel penelitian, yakni variabel terikat dan variabel bebas.

3.3.1 Variabel Terikat

Untuk menyederhanakan permasalahan pada kajian pengecoran menggunakan cetakan pasir, maka dalam penelitian ini di tetapkan variabel terikat yakni:

1. Material cetakan pasir. 2. Jenis cairan logam. 3. Metode pengecoran.

3.3.2 Variabel Bebas

Variabel bebas pada penelitian ini merupakan pengaruh yang diakibatkan oleh adanya variabel terikat yakni:

1. Kecepatan aliran. 2. Turbulensi.

3. Temperatur cairan. 4. Tekanan.

5. Konsentrasi cacat permukaan.

3.4 Cara Pelaksanaan Penelitian

Untuk melakukan analisa karakteristik pada cetakan pasir ini, diperlukan urutan proses agar dalam pengerjaan tugas akhir ini dapat berjalan dengan baik yang meliputi:

(52)

32 1. Pengumpulan Data Awal

Tahap ini merupakan tahapan dilakukan pengumpulan data tentang informasi perkembangan pengecoran tradisional menggunakan cetakan pasir dan perkembangan penelitian mengenai masalah dan kendala yang sering muncul pada pengecoran tersebut serta spesifikasi dan dimensi data yang dibutuhkan saat penelitian.

2. Studi Literatur

Penelitian ini harus dilakukan berlandaskan pada azas-azas teoritis yang diakui di dalam dunia ilmu pengetahuan sehingga dapat dijadikan rujukan penyelesaian penelitian ini. Studi literatur ini dilakukan dengan cara memperolehnya dari buku buku referensi, jurnal jurnal ilmiah, kumpulan simposium, diskusi personal, atau bahkan lewat media internet.

3. Perhitungan dan Analisa Data Hasil Komputasi

Perhitungan data pada penelitian ini dilakukan melalui simulasi software. Data-data yang dibutuhkan selama proses pengerjaan di input kedalam proses komputasi data. Selanjutnya akan dilakukan pembahasan terhadap data yang dihasilkan dari simulasi.

4. Proses Pengecoran

Pada tahap ini dilakukan pengecoran yang mana dimulai dari peleburan bahan, penuangan cairan logam kedalam cetakan hingga pengeringan hasil coran.

5. Pengumpulan Data dan Penarikan kesimpulan

Setelah mendapatkan semua data-data yang dibutuhkan kemudian dilakukan penarikan kesimpulan. Penarikan kesimpulan ini berdasarkan korelasi terhadap tujuan penelitian yang telah ditetapkan sebelumnya. Dengan demikian diharapkan tidak terjadi penyimpangan dari tujuan penelitian.

(53)

3.5 Diagram Alir Penelitian

Secara garis besar, pelaksanaan penelitian ini akan dilaksanakan berurutan dan sistematis seperti ditunjukkan pada Gambar 3.3

Gambar 3.3. Diagram Alir Penelitian SELESAI

Mulai

Pengumpulan Data Simulasi

Pengumpulan Data Hasil Pengecoran Spesimen

Pengecoran Proses Simulasi Studi Literatur dan Pengumpulan Data Awal

Identifikasi Masalah dan Menetapkan Tujuan

Penelitian

Pemodelan Simulasi

Pengolahan Data & Kesimpulan Peleburan Bahan Persiapan Bahan dan Pembuatan Cetakan Pasir

Plot Distribusi Kecepatan, Temperatur,

Tekanan & Cacat

Tidak

1. Penerapan ukuran mesh yang kurang tepat. 2. Terjadinya error pada saat proses iterasi.

Tidak

1. Dimensi tidak sesuai 2. Penyusutan berlebihan

Ya Ya

(54)

3.6 Set-up Pengujian

3.6.1. Proses Simulasi 3.6.1.1Tahap Pre-processing

Proses pre-processing merupakan proses yang dilakukan sebelum pengujian (simulasi). Proses ini mencakup pembuatan model, penentuan domain dan pembuatan mesh (meshing).

1. Pembuatan Model

Langkah awal sebelum proses simulasi dilakukan adalah membuat model geometrik objek pengecoran. Data geometrik dibuat menggunakan salah satu software berbasis CAD yaitu program AutoCAD. File yang berbentuk stereolithography (STL) kemudian diinput kedalam software Flow-3D. Model cetakan pasir mengacu kepada bentuk dan dimensi yang sebenarnya. Gambar 3.4, 3.5, 3.6 berikut ini merupakan dimensi masing-masing model cetakan.

Gambar 3.4 Dimensi Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Top Gating System

(55)

35 Gambar 3.5 Dimensi Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk

Parting-line Gating System

Gambar 3.6 Dimensi Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Bottom Gating System

(56)

36 Berikut adalah bentuk geometri masing-masing model cetakan setelah diinput kedalam software Flow-3D seperti ditunjukkan Gambar 3.7, 3.8, dan 3.9.

Gambar 3.7 Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Top Gating System

Gambar 3.8 Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Parting-Line Gating System

(57)

37 Gambar 3.9 Model Cetakan Pasir dengan Tipe Saluran Masuk Bottom Gating

System

2. Pembuatan Mesh

Unit-unit volume pada software simulasi diinterpretasikan dengan pembentukan mesh atau grid. Meshing adalah proses dimana geometri secara keseluruhan dibagi-bagi dalam elemen-elemen kecil. Elemen - elemen kecil ini nantinya berperan sebagai kontrol surface atau volume dalam proses perhitungan yang kemudian tiap-tiap elemen ini akan menjadi inputan untuk elemen disebelahnya. Hal ini akan terjadi berulang-ulang hingga domain penuh.

Dalam meshing elemen-elemen yang akan dipilih disesuaikan dengan kebutuhan dan bentuk geometri objek simulasi. Kesalahan pengaturan mesh menyebabkan ketidakakuratan dalam penampilan data simulasi. Gambar 3.10 berikut ini adalah merupakan hasil meshing dengan konfigurasi ukuran elemen sebesar 5 mm.

(58)

38 Gambar 3.10 Bentuk Mesh

3. Menentukan Parameter Dasar

Pada bagian ini ditentukan jenis cairan, unit dan jumlah fluida dan unit simulasi. Untuk pengaturan lainnya digunakan pengaturan default seperti terlihat pada Gambar 3.11.

Gambar 3.11 Penentuan Parameter Dasar

4. Menentukan Gaya dan Sifat-Sifat Fisis

Pada bagian ini ditentukan sifat-sifat fisika yang akan mempengaruhi jalannya simulasi. Sifat-sifat yang diaplikasikan pada penelitian kali ini antara

(59)

39 lain: gravitasi, perpindahan panas, solidifikasi, defect tracking, turbulensi dan viskositas fluida seperti pada Gambar 3.12.

Gambar 3.12 Penentuan Sifat – Sifat Fisika dan Gaya pada Percobaan 5. Menentukan Jenis Fluida dan Material Cetakan

Pada bagian ini diinput data material cetakan. Data diambil dari Flow-3D Fluids dan Solids Database. Jenis fluida yang diinput yaitu aluminium alloy A356 dengan bahan pengikat silikon karbida. Jenis pasir yang diinput yaitu pasir silika.

(60)

40 Gambar 3.14 Penentuan Material Cetakan

3.6.1.2Tahap Post-processing

Pada tahap ini ditentukan hasil yang ingin didapatkan dari proses simulasi. Untuk penelitian ini hasil yang ingin didapat dari simulasi adalah nilai surface defect concentration, magnitudo kecepatan aliran dan temperatur.

3.6.1.3Menjalankan dan Menampilkan Hasil Simulasi

Setelah tahap post-processing dan solution telah selesai diatur, maka simulasi dimulai. Proses solving merupakan tahap akhir dari proses simulasi, selanjutnya tinggal menunggu hasil simulasi.. Setelah simulasi selesai kemudian melihat hasil simulasi yang telah dilakukan.

Dalam melihat hasil simulasi dapat dilakukan dengan berbagai cara, dilihat secara keseluruhan maupun target tertentu saja dengan menetukan bidang, garis atau titik pengamatan. Karena target utama adalah untuk melihat bagaimana pengaruh perubahan bentuk saluran masuk terhadap bentuk aliran dan cacat permukaan, maka akan dilihat kontur cacat permukaan dan vektor kecepatan secara keseluruhan dan terhadap satu bidang dengan tujuan melihat garis aliran (path lines) apakah aliran yang terjadi sudah efektif atau belum.

(61)

3.6.1.4Diagram Alir Simulasi

Secara garis besar, proses simulasi akan dilaksanakan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.15.

Gambar 3.15 Diagram Alir Simulasi Selesai

Hasil Simulasi Sesuai dengan Hasil Eksperimental Plot Kontur Visualisasi Kecepatan, Temperatur, Tekanan dan Cacat Permukaan

Proses Solving

Input Data &

Pendefinisian Properties Proses Meshing

Proses Import Model pada Flow-3D Pembuatan Geometri di AutoCAD

MULAI

(62)

3.6.2. Proses Pengecoran

Pengecoran aluminium dilakukan di Laboratorium Foundry Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Adapun prosedur yang dilakukan pada proses pengecoran aluminium adalah sebagai berikut:

a. Bahan yang akan dilebur adalah aluminium yang berasal dari ingot aluminium.

b. Bahan penambah yaitu serbuk silikon karbida.

c. Krusibel dimasukkan kedalam tungku kemudian arang kayu laut yang sudah disiapkan dimasukkan ke dalam dalam tungku peleburan.

d. Velg aluminium yang sudah ditimbang massanya dimasukkan kedalam crucible.

e. Jika suhu aluminium mencapai ± 735°C yang diukur dengan menggunakan termokopel, maka serbuk silikon karbida yang sudah ditimbang massanya dimasukkan kedalam krusibel.

f. Setelah semua dimasukkan, turunkan pengaduk dari mesin stir casting. g. Letakkan pengaduk stir casting kedalam krusibel dan putar dengan kecepatan

175 rpm dengan waktu pengadukan 1 menit.

h. Setelah selesai pengadukan, maka dilakukan penuangan pada cetakan pasir yang sudah dipersiapkan dan tunggu hingga spesimen dingin.

i. Setelah spesimen dingin, hancurkan cetakan pasir sampai spesimen dapat diambil.

(63)

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini membahas mengenai hasil analisa model aliran fluida dilakukan pada ketiga jenis saluran masuk yang digunakan pada penelitian ini. Model cetakan pasir yang geometri dan parameternya telah didefinisikan dimasukkan kedalam ruang simulasi untuk memperoleh karakteristik aliran fluida yang mengalir melaluinya.

Pembahasan yang dilakukan meliputi analisa kontur arah dan kecepatan aliran logam cair, temperatur cairan logam dan pengaruhnya terhadap kekerasan benda coran, tekanan cairan logam , hingga perbandingan antara cacat permukaan hasil simulasi dan cacat permukaan pada hasil pengecoran eksperimental. Kondisi fluida dan parameter keadaan yang diuji pada ketiga jenis saluran masuk ini adalah sama.

Jenis saluran masuk yang akan dibahas antara lain model saluran masuk top gating system (tipe A), parting-line gating system (tipe B), dan bottom gating system (tipe C). Setelah diperoleh hasil simulasi dan hasil pengecoran, maka akan dibandingkan dan dianalisa satu sama lain untuk memperoleh kandidat jenis saluran masuk yang terbaik.

4.1 Analisa Simulasi Hasil Distribusi Kecepatan

Telah dilakukan simulasi numerik untuk melihat kontur kecepatan magnitudo dan turbulensi cairan logam yang diperlihatkan dalam bentuk kontur 2 dimensi terhadap bidang x-z. Analisa hasil simulasi dilakukan saat cairan logam tepat memenuhi cetakan. Hasilnya adalah sebagai berikut:

(64)

44 Gambar 4.1 Kontur Distribusi Kecepatan Magnitudo pada Model Saluran Masuk

Top Gating System

Gambar 4.2 Kontur Distribusi Kecepatan pada Model Saluran Masuk Parting-line Gating System

(65)

45 Gambar 4.3 Kontur Distribusi Kecepatan pada Model Saluran Masuk Bottom

Gating System

Gambar 4.1, 4.2, dan 4.3 memperlihatkan kontur kecepatan dan pola aliran pada setiap model saluran masuk. Kecepatan aliran tertinggi terdapat pada model saluran masuk top gating system yaitu sebesar ± 263 cm/s seperti yang ditunjukkan oleh kontur berwarna merah pada gambar 4.1. Hal ini dikarenakan gerakan jatuh bebas cairan logam yang langsung menuju ke dasar cetakan pada saat proses penuangan. Sedangkan kecepatan fluida terendah ditunjukkan oleh model saluran masuk parting-line gating system dengan kecepatan maksimum dalam cetakan yang hanya mencapai ± 178 cm/s. Hal ini dikarenakan aliran yang berpisah membentuk dua jalur pada saat cairan logam keluar dari saluran turun menuju dinding cetakan seperti tampak pada Gambar 4.2. Aliran yang terpecah tersebut berdampak pada tingginya turbulensi pada model saluran ini.

Semakin besar turbulensi yangterjadi maka akan semakin besar pula kemungkinan cacat yang ada pada produk hasil coran. Hal ini terjadi karena akan mempermudah terjebaknya gas-gas yang ada pada saat proses penuangan logam cair [21].

(66)

46 Tabel 4.1 Distribusi Kecepatan Magnitudo pada Berdasarkan Titik Pengukuran.

Variasi Bagian Kecepatan Magnitudo (cm/s) Rata - Rata Kiri Tengah Kanan

Type A

Atas 9 125 9

86,22 Tengah 86 240 86

Bawah 48 125 48

Type B

Atas 50 93 50

88 Tengah 50 178 178

Bawah 50 93 50

Type C

Atas 7 45 7

87,11 Tengah 121 83 121

Bawah 45 159 196

Tabel 4.1 memperlihatkan hasil simulasi berupa distribusi kecepatan pada 9 titik pengukuran. Grafik kecepatan magnitudo ditunjukkan oleh Gambar 4.4.

Gambar 4.4 Grafik Kecepatan Magnitudo vs. Tipe Saluran Masuk

Gambar 4.4 menunjukkan kecepatan magnitudo pada setiap model saluran. Data tersebut memperlihatkan rata-rata kecepatan tertinggi terdapat pada model

0 50 100 150 200 250 300

Type A Type B Type C

K ec ep at an M agn itud o (c m /s) kecepatan aliran maksimum kecepatan aliran minimum

kecepatan aliran rata-rata

(67)

47 saluran Tipe B. Sedangkan rata-rata kecepatan terendah diperlihatkan oleh model saluran masuk tipe A.

Kecepatan aliran yang tinggi cendrung memicu terjadinya cacat rongga udara pada pengecoran. Cacat rongga udara disebabkan oleh terperangkapnya gas pada saat pengisian logam cair di cavity [29]. Hal ini dapat dicegah dengan mensimulasikan berbagai variasi model saluran masuk hingga tercapai kecepatan rata-rata yang paling minimum.

4.2 Simulasi Hasil Distribusi Temperatur

Telah dilakukan simulasi numerik untuk melihat kontur kecepatan dan turbulensi cairan logam. Hasil diperlihatkan dalam bentuk kontur 3 dimensi yang dipotong terhadap bidang x-z. Waktu simulasi yaitu 60 detik dengan temperatur penuangan sebesar 735oC. Hasilnya adalah sebagai berikut:

Gambar 4.5 Kontur Distribusi Temperatur pada Model Saluran Masuk Top Gating System

(68)

48 Gambar 4.6 Kontur Distribusi Temperatur pada Model Saluran Masuk

Parting-line Gating System

Gambar 4.7 Kontur Distribusi Temperatur pada Model Saluran Masuk Bottom Gating System

Hasil yang diperoleh adalah berupa kontur distribusi temperatur yang ditunjukkan oleh warna-warna yang menunjukkan besarnya temperatur yang dihasilkan simulasi. Warna merah menunjukkan daerah bertemperatur maksimum dan warna biru menunjukkan daerah bertemperatur minimum.

Temperatur maksimum dicapai oleh model saluran masuk parting-line gating system dimana pada model saluran masuk ini memiliki distribusi temperatur tertinggi yang berkisar 728oC hingga 732oC seperti ditunjukkan pada

(69)

49 Gambar 4.6. Sedangkan model saluran masuk bottom gating system memiliki fase pendinginan tercepat dimana temperatur cairan pada cetakan berkisar antara 728oC dan 730oC seperti diperlihatkan oleh warna kontur rongga cetak pada Gambar 4.7. Temperatur pada masing-masing titik pengukuran ditunjukkan oleh tabel 4.2

Tabel 4.2 Distribusi Temperatur Pada Pada 9 Titik Pengukuran

variasi bagian Temperatur rata - rata kiri tengah kanan

Type A

atas 728 730 728

729,3333 tengah 729 732 730

bawah 727 732 728

Type B

atas 728 728 728

729,6667 tengah 730 732 730

bawah 729 731 731

Type C

atas 728 729 728

729,1111 tengah 730 730 729

bawah 729 730 729

Dibawah ini adalah grafik temperatur pada masing-masing model saluran masuk.

Gambar 4.8 Grafik Temperatur vs. Tipe Saluran Masuk

724 725 726 727 728 729 730 731 732 733

Type A Type B Type C

T em p er at u r ( o C) temperatur maksimum temperatur minimum temperatur rata-rata

(70)

50 Gambar 4.8 memperlihatkan pengaruh tipe gating system pada pengecoran aluminium A356 terhadap temperatur. Terlihat bahwa temperatur tertinggi didapat pada sistem saluran tipe B yaitu 729,6oC sedangkan yang mempunyai temperatur sedang didapat saluran tipe A sebesar 729,3oC. Kemudian saluran type A memiliki temperatur terendah yaitu 729,1oC. Hal ini dikarenakan sistem saluran tipe C mengalami kehilangan panas terbesar yang dikarenakan kehilangan temperatur pada lintasan yang dilalui oleh aliran logam cair saat memasuki cetakan.

4.3.1. Pengaruh Distribusi Temperatur Terhadap Kekerasan Hasil Coran Aluminium Alloy

Berikut adalah perbandingan antara hasil simulasi distribusi temperatur dengan nilai kekerasan pada hasil coran aluminium silikon alloy A356.

Tabel 4.3 Data hasil pengujian kekerasan

variasi bagian

Brinell Hardness Test

(BHN) rata-rata rata - rata total

1 2 3

Type A

dalam 47,749 44,564 51,215 47,84246

49,002 tengah 54,998 44,564 47,749 49,103475

luar 51,215 47,749 51,215 50,059454 rata-rata 51,320 45,625 50,059 49,001796

Type B

dalam 51,215 51,215 47,749 50,059454

51,320 tengah 54,998 54,998 47,749 52,581483

luar 47,749 54,998 51,215 51,320468 rata - rata 51,320 53,737 48,904 51,320468

Type C

dalam 51,215 44,564 54,998 50,258704

52,192 tengah 51,215 54,998 54,998 53,736712

luar 54,998 47,749 54,998 52,581483 rata - rata 52,476 49,103 54,998 52,1923

(71)

51 Tabel 4.3 memperlihatkan hasil nilai BHN rata-rata pada uji kekerasan untuk bahan alumunium A356 - 3,5% silikon karbida dengan tipe gating system. Grafik kekerasan terhadap bahan Al-SiC A356 berdasarkan nilai BHN rata-rata pada tabel 4.3 dapat dilihat pada Gambar 4.9.

Gambar 4.9 Grafik Nilai Kekerasan Rata – Rata vs Tipe Gating System Gambar 4.9 memperlihatkan pengaruh type gating system pada pengecoran aluminium A356 diperkuat SiC terhadap kekerasan rata-rata. Terlihat bahwa kekerasan tertinggi didapat pada sistem saluran tipe C yaitu 52,192 sedangkan yang mempunyai kekerasan sedang didapat saluran tipe B sebesar 51,320. Kemudian saluran type A memiliki kekerasan yang terendah yaitu 49,002. Hal ini dikarenakan sistem saluran tipe C adalah sistem saluran dengan distribusi temperatur terendah dibanding sistem saluran masuk yang lainnya seperti tampak pada gambar 4.10.

Gambar 4.10 Perbandingan Persebaran Temperatur Terhadap Nilai Kekerasan Pada Model Sistem Saluran Masuk Top Gating System (Tipe A)

49,002 51,320 52,192 48,000 50,000 52,000 54,000

Type A Type B Type C

B ri n e ll H a rd n e ss Te st ( B H N )

Tipe Gating System

(72)

52 Gambar 4.11 Perbandingan Persebaran Temperatur Terhadap Nilai Kekerasan

Pada Model Sistem Saluran Masuk Parting-line Gating System (Tipe B)

Gambar 4.12 Perbandingan Persebaran Temperatur Terhadap Nilai Kekerasan Pada Model Sistem Saluran Masuk Bottom Gating System(Type C)

Gambar 4.10, 4.11 dan 4.12 menunjukkan bahwa nilai kekerasan rata-rata bagian dalam benda cetak lebih kecil daripada bagian luar, hal ini dikarenakan bagian luar cetakan merupakan bagian yang paling cepat membeku.

Laju pembekuan yang terjadi pada proses pengecoran sangat berpengaruh terhadap kekuatan mekanik dari suatu bahan. Pembekuan yang cepat dapat mengurangi waktu pertukaran fase aluminium. Hal ini menyebabkan terciptanya struktur yang lebih halus dan kekerasan aluminium pun meningkat. [30].

(1)

62 (a) (b)

Gambar 4.23 (a) Kontur Konsentrasi Cacat Permukaan Model Saluran Masuk Bottom Gating System dan (b) Permukaan Spesimen Hasil Pengecoran Model

Saluran Masuk Bottom Gating System

bagian (a) pada Gambar 2.3 menunjukkan konsentrasi cacat permukaan yang terbentuk berada pada bagian atas cetakan (titik berwarna merah). Begitu juga terlihat pada spesimen hasil pengecoran yaitu adanya cacat permukaan berupa gelembung udara pada bagian atas spesimen seperti ditunjukkan pada bagian yang dilingkari pada gambar (b).

Cacat rongga udara dapat muncul pada permukaan suatu coran dan sedikit dibawah permukaan yang merupakan rongga-rongga bulat. Cacat rongga udara terjadi karena terjebaknya udara dan reaksi cairan logam terhadap uap air pada dinding- dinding cetakan [30].

(2)

63 BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil simulasi yang telah dilakukan dan dilaporkan pada bab-bab sebelumnya, maka kesimpulan dari hasil penelitian ini yaitu:

1. Program berbasis CFD sangat membantu dalam disain dan perhitungan pada proses pengecoran, terutama dalam perancangan gating system. Dengan software simulasi dapat divisualisasikan tahapan pengisian logam dan perubahan suhu sehingga dapat diramalkan lokasi cacat sehingga menurunkan biaya proses produksi pengecoran.

2. Berikut ini merupakan kesimpulan untuk hasil pengujian simulasi kecepatan aliran, turbulensi, cacat permukaan, temperatur dan tekanan.: 1. Hasil simulasi berupa kontur kecepatan menunjukkan top gating

system memiliki kecepatan fluida tertinggi yaitu ±263 cm/s sedangkan kecepatan fluida terendah terjadi pada model saluran parting-line dengan ±178 cm/s.

2. Model saluran dengan rata-rata suhu tertinggi terdapat pada parting-line gating system dengan ±729,67 oC sedangkan bottom gating system memiliki suhu rata-rata terendah dengan ±729,11 oC.

3. Tekanan tertinggi terjadi pada parting-line gating system yaitu sebesar ±11,65 kPa sementara tekanan terendah ditemukan di top gating system sebesar ±11,14 kPa.

4. Konsentrasi tertinggi cacat permukaan ditemukan dalam sistem model saluran parting-line gating system dengan persentase ±0,32%. Sementara konsentrasi cacat terendah adalah pada top gating system dengan ±0,15%.

5. Hasil simulasi cacat permukaan menunjukkan hasil yang identik dengan pengecoran eksperimental dimana cacat yang terjadi terdapat

(3)

64 pada area bagian atas spesimen yang disebabkan oleh terjebaknya gas/oksida akibat gerakan cairan logam yang tak beraturan.

6. Kekerasan tertinggi didapat pada sistem saluran bottom gating system. Hal ini didukung oleh persebaran temperatur dimana sistem saluran ini memiliki fase pendinginan tercepat dibanding model saluran lainnya. 5.2 Saran

1. Peralatan atau komputer dengan spesifikasi yang memadai agar dapat dilakukan percobaan dengan ukuran mesh yang lebih kecil sehingga didapatkan hasil yang lebih akurat.

2. Agar dikembangkan software yang sesuai dan mudah dipahami untuk mahasiswa, sekaligus untuk pemula dalam pembelajaran penggunakan simulasi aliran.

3. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut tentang variabel yang tidak terkontrol dalam penelitian ini, misalnya kecepatan penuangan, kandungan air dalam cetakan pasir, dan temperatur penuangan, khususnya pada pengecoran menggunakan cetakan pasir.

(4)

65 DAFTAR PUSTAKA

[1] Kusharjanta, Bambang. 2011, “Kajian Letak Saluran Masuk (Ingate) Terhadap Cacat Porositas, Kekerasan, Dan Ukuran Butir Paduan Aluminium Pada Pengecoran Menggunakan Cetakan Pasir”, Jurnal Vol. 10 No. 1, Jurusan Teknik Mesin – Universitas Sebelas Maret.

[2] Surdia, T., & Chijiiwa K., (2000), “TeknikPengecoran Logam”. Jakarta: Pradnya Paramita.

[3] Shafiee, M., Hasyim, M., & Said M. (2009). “Effects of Gating Design on The Mechanical Strength of Thin Section Castings. ”Proceeding of MUCEET 2009, Juni 2009: 1 – 4.

[4] Indra, Ahmad S. & Ridwan (2012) “Analisa Aliran Fluida Pada Pipa Spiral Dengan Variasi Diameter Menggunakan Metode Computational Fluid Dinamics (CFD)” Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Gunadarma.

[5] Taufik H. & Slamet S., 2010, “Pengaruh Model Saluran Tuang Pada Cetakan Pasir Terhadap Hasil Cor Logam”, Jurnal Teknik Mesin Universitas Muria Kudus.

[6] Roziqin K., H. Purwanto & I. Syafa’at (2012) “Pengaruh Model Sistem Saluran Pada Proses Pengecoran Aluminium Daur Ulang Terhadap Struktur Mikro Dan Kekerasan Coran Pulli Diameter 76 mm Dengan Cetakan Pasir” Jurnal Teknik Mesin Vol. 8, No. 1 Universitas Wahid Hasyim, Semarang. 33-39.

[7] Hafid, S. B. Pratomo & S. Virdhian, 2011“Membuat Desain Pengecoran Dengan Simulasi Adstefan Untuk Menanggulangi Cacat Pada Produk Cor”, Jurnal Riset Industri No. 3 / Vol.5 / Universitas Gunadarma Hal. 205- 217 [8] Rahmawati Sari Zulaina, 2010, “Analisis Pengaruh Sr Terhadap Ketahanan

Korosi pada Paduan Aluminium”, FT. Universitas Indonesia, Jakarta.

[9] ASM International, 2004, “ASM Metal Handbook Composites”, United State of America.

[10] FLOW-3D Version 10.0 Help Contents [11] https://en.wikipedia.org/wiki/Sand_casting

(5)

66 [12] Rao, T. V., 2003, “Metal Casting: Principles and Practice”, New Age

International, ISBN 978-81-224-0843-0.

[13] Surdia Tata, 1996. “ Teknik Pengecoran Logam”. PT. Pradnya Paramita, Jakarta.

[14] Simanjutak, Albin Moniago Dkk, 2013. ”Karakterisasi Komposit Matriks Logam Al - SiC Pada Produk Kanvas Rem Kereta Api”. Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, USU.

[15] ASM Handbook. 1988. “Metal Casting Handbook Ninth Edition Volume 15.” The University of Alabama.

[16] Iyengar S.N, 2002 “Gating and Risering Systems”. Indian Foundry J, p. 37- 38.

[17] https://en.wikipedia.org/wiki/Fluid_dynamics

[18] Bruce R. Munson dkk., 2004, “Mekanika Fluida Jilid 1 Edisi ke 4”, Erlangga. Jakarta.

[19] https://en.wikipedia.org/wiki/Casting_defect [20] http://www.afsinc.org

[21] Prasetya, Chandra, Yudy Surya Irawan & Tjuk Oerbandono (2012) “Pengaruh Jumlah Saluran Masuk Pada Pengecoran Impeller Turbin Crossflow Terhadap Cacat Permukaan Dan Porosia”, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Brawijaya.

[22] Tjitro, Soejono, (2001), “Makalah Kuliah Umum: Indikasi Cacat Shrinkage pada Produk Cor dengan Bantuan Metoda Elemen Hingga”, Universitas Kristen Petra, Surabaya.

[23] Tuakia, F. 2008. “Dasar-dasar CFD Menggunakan FLUENT.”, Informatika, Bandung.

[24] https://en.wikipedia.org/wiki/Computational_fluid_dynamics [25] Fluent Inc. 2006. User’s Guide Version 6.3.

[26] Ahmad Fauzan, Rancangan Bangun Circular Hovercraft dan Analisa Aliran pada Bagian yang Mempengaruhi Cushion Pressure dengan Computational Fluid Dynamics, Jakarta. 2006.

(6)

67 [27] Pradeep Sharma, Gulshan Chauhan & Neeraj Sharma, ”Production of Amc By Stir Casting-An Overview”, International Journal of Contemporary Practises Vol. 2 Issue 1.

[28] Hashim, J, 2001, “The Production of Cast Metal Matrix Composite by A Modified Stir Casting Method”, Jurnal Teknologi, Universiti Teknologi Malaysia.

[29] Y. Iwata, K. Tozawa, Y. Yamamoto, M. Nakamura and K. Sasaoka: J. Jpn. Inst. Light Met. 36 (1986) 10-14.

[30] Dobrzański, L. A., W. Borek, Maniara R., 2006, “Influence of the crystallization condition on Al–Si–Cu casting alloys structure”, Division of Materials Processing Technology and Computer Techniques in Materials Science, Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Silesian University of Technology, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Poland. [31] S. M. Respati, Bondan, H. Purwanto & M. S. Mauluddin, “Pengaruh

Tekanan Dan Temperatur Cetakan Terhadap Struktur Mikro Dan Kekerasan Hasil PengecoranPada Material Aluminium Daur Ulang” Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Wahid Hasyim, Semarang. [32] Hirt, C. W., Barkhudarov, M. R., 1998, “Lost Foam Casting Simulation

With Defect Prediction”.

[33] Jain P. L., 1979, “Principles Of Foundry Technology”, National Institute of Foundry and Forge Technology, Ranchi.

[34] Prabowo, Tedy, 2003 “Studi Penambahan Gula Tetes Pada Cetakan Pasir Terhadap Kuantitas Cacat Blow-hol” Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Mesin – Universitas Kristen Petra.

[35] Ambarita, Himsar. 2011. “Materi Kuliah Metode Perhitungan Dinamika Fluida”. Medan: Departemen Teknik Mesin FT USU.

Simulasi Pengaruh Tipe Gating System Terhadap Karakteristik Aliran Logam Material Aluminium A356 Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamics